Mathematical modelling of grinding wheel structures
Mathematics
Final Report Abstract
Das Feinbearbeitungsverfahren Schleifen wird häufig zum Erreichen hoher Maßgenauigkeiten und Oberflächengüten eingesetzt. Zum Erreichen dieser anwendungsspezifischen Prozessergebnisse ist der Einsatz eines individuellen Schleifwerkzeugs essentiell. Die rezepturabhängige Zusammensetzung eines Schleifwerkzeugs bestimmt maßgeblich das Prozessergebnis. Die Einflüsse der volumetrischen Zusammensetzung eines Schleifwerkzeugs auf das Prozessergebnis müssen jedoch bisher in empirischen Untersuchungen aufwendig ermittelt werden. Weiterhin liegt die Kompetenz zur Auslegung eines effektiven und effizienten Schleifwerkzeugs sowie die anwendungsgerechte Auswahl oft im Erfahrungswissen weniger Mitarbeiter. Das übergeordnete Ziel dieses Forschungsvorhabens war es daher, ein mathematisch-generisches Schleifscheibenmodell zu erstellen, in dem ausgehend von der rezepturabhängigen, volumetrischen Zusammensetzung einer Schleifscheibe die räumliche Anordnung der Bestandteile Körner, Bindung und Poren realitätsnah abgebildet wird. Mit diesem Modell soll es ermöglicht werden, die sich einstellende Schleifscheibenstruktur und die resultierende Schleifscheibentopographie von keramischen und kunstharzgebundenen CBN-Schleifwerkzeugen wissensbasiert zu bestimmen und so deren Einsatzverhalten vorhersagen zu können. Dazu wurde zunächst die Struktur von CBN-Schleifwerkzeugen modelliert. Nach der Modellierung des Kornmaterials und der Poren wurden Methoden zur Modellierung der Bindung entwickelt. So wurde auch erstmals die Struktur von keramisch gebundenen CBN-Schleifscheiben realitätsnah modelliert und mit Hilfe empirischer Schleifscheibenstrukturuntersuchungen validiert. Darauf aufbauend wurde die strukturabhängige Schleifscheibentopographie modelliert, indem ein Abrichtprozess und das Bruchverhalten der Schleifscheibenkomponenten simuliert wurden. Die strukturabhängigen und von den Abrichtparametern abhängigen Topographien wurden abschließend mit Hilfe von empirischen Topographieanalysen validiert. Als Ergebnis des Forschungsprojekts liegt ein auf Grundlagenerkenntnissen basierendes mathematisch-generisches Modell vor, mit dessen Hilfe es möglich ist die Schleifscheibenstruktur und die -topographie von kunstharz- und keramisch gebundenen CBN- Schleifscheiben in Abhängigkeit von der volumetrischen Zusammensetzung und den Abrichtparametern abzubilden. Die Originalität dieses Modells liegt in der erstmaligen Berücksichtigung der dreidimensionalen Schleifscheibenstruktur zur Modellierung der Schleifscheibentopographie und der innovativen Methodik zur Modellierung von keramischer Bindung. Unter der Voraussetzung der stetigen Weiterentwicklung ermöglicht das vorliegende, anwendungsorientierte Modell zukünftig die FEM-basierte Simulation des Schleifprozesses in Abhängigkeit der volumetrischen Zusammensetzung des Schleifwerkzeugs.
Publications
- Mathematical Modeling of Grinding Wheel Structures, MASCOT2015 IMACS/ISGG Workshop, Rom, Italien, 2015
Rom, M., Brakhage, K.-H., Barth, S., Wrobel, C., Mattfeld, P., Klocke, F.
- Einfluss der Spezifikation mehrschichtiger CBN-Schleifwerkzeuge auf das Schleifprozessverhalten, Ergebnisse aus der Produktionstechnik Band26/2016, Dissertation, Apprimus Verlag, ISBN: 978-3-86359-448-0
Weiß, M.
- Modelling of the grinding wheel structure depending on the volumetric composition, 7th CIRP Conference on High Performance Cutting HPC, Konferenzbeitrag, Chemnitz, 2016
Klocke, F., Barth, S., Wrobel, C., Weiß, M., Mattfeld, P., Brakhage, K.-H., Rom, M.
- Modelling of the grinding wheel structure depending on the volumetric composition, Procedia CIRP, Volume 46, S.246-280, 2016
Klocke, F., Barth, S., Wrobel, C., Weiß, M., Mattfeld, P., Brakhage, K.-H., Rom, M.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.procir.2016.04.066) - Mathematical Modeling of Ceramic-Bonded Grinding Wheel Structures, in: MASCOT2015 Proceedings, IMACS Series in Computational and Applied Mathematics 20, IMACS, Rom, 2016
Rom, M., Brakhage, K.-H., Barth, S., Wrobel, C., Mattfeld, P., Klocke, F.
